生命科學

亂中有序的蛋白質

一般認為,蛋白質要在細胞內施展威力,必須先折疊成固定的形狀,但現在開始有比較糾葛的故事出現。

撰文/當克 ( A. Keith Dunker ) 、克瑞瓦奇 ( Richard W. Kriwacki )
翻譯/涂可欣

生命科學

亂中有序的蛋白質

一般認為,蛋白質要在細胞內施展威力,必須先折疊成固定的形狀,但現在開始有比較糾葛的故事出現。

撰文/當克 ( A. Keith Dunker ) 、克瑞瓦奇 ( Richard W. Kriwacki )
翻譯/涂可欣


蛋白質是生命的原料,它們是細胞的眼、手和腳,即便DNA常被視為生物分子的代表,它們最重要的地方也是因為帶有指定了蛋白質組成的基因。我們有神經元、白血球、嗅覺感應器等不同細胞,主要也是因為它們活化了不同的基因,產生不同的蛋白質組合。


蛋白質如此重要,你可能以為生物學家應該早對它們的外觀和運作機制有基本認識,然而幾十年來,科學家的理解卻不完整。他們知道蛋白質是由一個個胺基酸像串珠般連接而成,但他們也相信蛋白質要具有正常功能,胺基酸鏈必須先準確折疊成固定的形狀。不過現在發現,有許多蛋白質在執行生物功能時,完全沒有折疊,也有些蛋白質僅在需要時折疊。事實上,有多達1/3的人類蛋白質並沒有穩定構形,至少有部份區域未折疊或無秩序。


沒錯,生物學家知道複製DNA或將DNA轉錄為RNA的酵素,是由許多可移動組件所構成的複雜奈米機具,不同部位會順著接點轉動。然而他們仍把這些蛋白質想像成折疊椅一般,由許多硬梆梆的零件組成,至於那些無穩定構形的蛋白質,看起就像在熱水中翻滾的半熟義大利麵。


現在科學家意識到,蛋白質靈活而沒有固定形狀的特性,可能有助地球生命的出現,而且繼續在細胞內扮演重要角色(例如細胞分裂和基因活化時),這個驚人的新見解在15年前可能會被斥為離經叛道,如今卻讓我們更了解細胞的基礎生物學。令人振奮的是,它還指出了一條治療癌症等疾病的新路徑。


蛋白質酵素的完美配對


「蛋白質固定的三維構造決定了它的功能」這個概念在1894年出現。當時德國柏林大學化學家費雪(Emil Fischer)首先提出,催化生化反應的酵素與其他分子交互作用時,它們是依據表面的特定形狀進行結合;酵素對表面特徵有差異(不管多細微)的分子則會視而不見。換句話說,酵素和它結合的對象就像鑰匙和鎖一般契合。


當費雪提出這個模型時,對蛋白質的特性都還摸不清楚。接下來60多年,生物學家得知蛋白質是胺基酸鏈,並認定它們會折疊出特定的形狀以執行正常功能。1931年,中國化學家吳憲指出蛋白質變性(失去自然的三維結構)會讓蛋白質喪失所有功能,強烈支持了這個觀點。1958年,科學家確認了抹香鯨肌紅素的三維構造,如今研究人員已定出五萬多種蛋白質的構造,方法通常是讓蛋白質形成堅硬的結晶,再以X光繞射晶體。


不過蛋白質世界並非一成不變地遵循結構分明的鑰與鎖的規則。1900年代初,科學家就知道許多抗體可以和多種目標(抗原)結合,不符合鑰與鎖模型。1940年代,美國偉大的化學家鮑林(Linus Pauling)推測某些抗體可能有多種折疊方式,會依抗體和抗原的吻合度而調整。


大約從1940年代起,有多個觀察結果顯示,有些蛋白質並不遵守死板的三維構造法則,但它們通常被視為奇怪的特例。本文作者之一當克是最早收集這些例子,並指出法則需要修正的研究者之一。舉例來說,1953年科學家注意到牛奶的酪蛋白缺乏結構,這種柔軟度可能有利幼小的哺乳動物消化;1970年代,科學家發現纖維素原蛋白(fibronogen)有大塊區域沒有固定結構,這個區域和後來找到的其他較小的類似區域對血液凝固很重要。1970年代末,構成煙草鑲嵌病毒核殼(病毒外套)的蛋白質提供了另一個清楚的例子:當病毒核殼空著時,核殼蛋白有大片無結構的區域垂在空腔內。當病毒在受感染細胞中複製時,這種鬆散的狀態能讓剛複製的RNA裝入核殼;RNA一旦裝入,核殼蛋白就會與RNA結合,形成固定的形狀。


在這期間,實驗人員面對無法誘導蛋白質於試管內折疊的情況時,會認為一定有哪裡出錯。他們相信那些胺基酸鏈在細胞環境下將可以找到「正確」的折疊形狀。當研究人員將裝著分離蛋白質的小瓶子放在核磁共振(NMR)光譜儀(研究蛋白質的基本工具)測量時,若得到不明確的數據,他們會解釋成蛋白質沒有折疊好。


這些模糊的數據其實隱藏了豐富的故事。NMR光譜儀是用強大的無線電頻率脈衝來誘導特定元素(例如氫)的原子核同步旋轉。那些原子核的些微頻率差異,與原子核在胺基酸內的位置及胺基酸之間的相對位置有密切關聯,研究人員通常可從頻率的改變推測出有固定結構蛋白質的樣貌。但如果蛋白質沒有折疊,上面的胺基酸動來動去,頻率變化就會模糊不清。


1996年,本文作者之一克瑞瓦奇用NMR來測量控制細胞分裂的p21蛋白質時,注意到一些驚人的現象。根據NMR數據,p21幾乎完全沒有結構秩序可言。胺基酸可以在連接彼此的化學鍵上自由轉動,從沒在特定構形上停止片刻。令人吃驚的是,這樣的p21仍能執行重要的調節功能。這是第一個有力的證據,顯示缺乏結構未必會讓一個蛋白質無用。NMR仍是判定蛋白質折疊或結構秩序的主要工具,輔以其他技術,科學家現在證實許多蛋白質天生就結構紊亂,在布朗運動和本身的熱運動下,分子經常變換形狀,但仍能正常運作。


沒有結構才有功用的蛋白質


大多數脊椎動物都具有的p27蛋白質,是展現這個廣闊新觀點的最佳範例。p27和p21一樣,是調節細胞分裂、讓細胞分裂不會失控的重要蛋白質。NMR顯示,p27非常多變,有些區域可迅速折疊出螺旋狀或片狀構造,然後又快速解開。在大多數的人類癌細胞內,p27的量都減少了;p27越少,病患存活率越低。


P27分子就像細胞分裂的煞車,至少能與六種不同的激酶(kinase)結合並抑制它們的活性。激酶是DNA複製和細胞分裂過程的主要調節者,會幫其他分子加上磷酸根,進而啟動一連串反應。p27分子柔軟呈長條狀,會纏繞激酶,覆蓋住大片區域,包括執行酵素化學活性的反應區,如此便妨礙了磷酸化、阻斷細胞分裂。由於p27構造靈活多變,可以纏繞並抑制不同類型的酵素,科學家常用「隨意不拘」或「身兼多職」來描述這類蛋白質的能力。


從毫無秩序、缺乏結構,到充滿秩序、固定折疊,在蛋白質結構秩序表中,p27幾乎落在完全缺乏結構的那一端,激酶則位於另一端。許多蛋白質介於中間,在有些區域形成特定形狀,部份區域結構鬆弛。例如參與了免疫反應的鈣調磷酸酶(calcineurin),是抗排斥藥物的作用目標,功能剛好和激酶背道而馳,它會移除某些磷酸化蛋白質的磷酸根。它的反應中心位於結構區內,呈現標準的鑰與鎖模式,但它也帶有無結構區,會在細胞不需要去磷酸反應時,與反應區結合,抑制自己的活性,因此鈣調磷酸酶是集兩種蛋白質於一身:結構區執行催化反應,無結構區調節催化功能。


上述例子都是在執行功能時會折疊的蛋白質,不管是自己本身折疊或繞著其他蛋白質折疊,無秩序有時候是蛋白質的一種運作本事,在目前已知的一個例子中,蛋白質無結構區的長度可做為計時器,控制兩個結合區接近的速度,如果無結構區較長,兩個結合區會花較久的時間找尋對方;還有一種蛋白質會靠著沒有結構的特性,穿梭細胞膜上狹窄的孔洞而進出細胞。神經細胞的軸突上也有無結構蛋白質,它們會形成毛刷狀,防止軸突塌陷。


讓人意外的是,有些蛋白質即使在結合後仍維持無結構狀態。不久前任職於加拿大多倫多兒童醫院的米塔格(Tanja Mittag,現在為作者克瑞瓦奇同部門的研究人員),在酵母菌中發現了抑制性蛋白質Sic1,Sic1會有數個小區域不斷黏附結合對象上的結合區然後又脫離,而Sic1其餘部位則維持無結構狀態。


無結構蛋白質也存在於較簡單的生物,甚至病毒也有。有些專門感染細菌的噬菌體得以吸附在宿主的細胞膜上,就是透過可彎曲活動的吸附蛋白來連接噬菌體本體和細胞膜。吸附蛋白比整個噬菌體小,且能快速移動,因此可以隨時調整,找到與細菌的最佳結合位置。


多變的構形極為普遍


全世界的研究人員已找到大約600種蛋白質完全沒有結構或帶有部份無結構區域,也了解它們的功能,但我們懷疑還有更多這樣的蛋白質。畢竟人體內估計有10萬種蛋白質,科學家目前只了解了一小部份,而當克和合作者進行的生物資訊學研究也支持相同看法。


生物資訊學是以早期個別蛋白質的理論研究為基礎。這些研究指出,在細胞合成胺基酸長鏈後,組成的胺基酸決定了蛋白質的折疊方式。體積大、疏水性的胺基酸最後會傾向置於蛋白質內部;相對的,體積小且親水性的胺基酸在折疊後會位於表面。


當克的想法,是比較無構形蛋白質和具有固定折疊形狀蛋白質的胺基酸序列。1997年,當克利用電腦演算程式發現,天生無結構的蛋白質傾向含有較多親水性胺基酸,因此我們可以從疏水性和親水性胺基酸的比例,來預測一個蛋白質會有部份會折疊,或是完全不折疊。


為了探索這些發現的生物意涵,當克在2000年時比對了多種生物的蛋白質。研究人員利用演算法檢查基因組裡含長串親水性胺基酸編碼的DNA,它們對應的蛋白質最有可能具有無結構區。細菌和太古生物(archaea)等最簡單生物似乎較少無秩序蛋白質,但在酵母菌、果蠅和人類等較複雜的真核生物(細胞具有細胞核),無結構蛋白質似乎普遍多了。


2004年,英國倫敦大學學院的瓊斯(David T. Jones)利用類似的方法比對了人類的基因組,發現多達35%的人類蛋白質可能帶有相當長的無結構區,因此有1/3的人類蛋白質有大片區域是不符合鑰與鎖模型的。


我們不清楚造成這種差別的原因,可能的解釋是,鑰與鎖結構特性最適合像酵素活性之類的功能,而無構形蛋白質有利於信號傳遞和調控。簡單的細菌把所有東西都裝在一起,複雜的生物則有細胞核、高基氏體、粒線體等胞器,因此細胞各部位之間需要較多信號傳遞和更複雜的調節,多細胞生物還需要傳信機制來協調不同細胞和組織。以p27為例,靠著蛋白質的靈活,才能讓化學信號順著傳導路徑傳遞:信號密碼就藏在蛋白質的構形、化學修飾(像是磷酸化)和結合的對象(從而抑制或調節它們)。


演化極機密


細菌帶的無結構蛋白質很少,看起來這類蛋白質好像是較晚演化出來的,然而多項研究顯示它們很早就出現了。就拿細菌來說,許多重要的傳信系統採用無結構蛋白質。此外,在演化上很古老、由RNA和蛋白質組成的一些分子機具,其中的蛋白質在與RNA結合之前,大多有無結構區域,或是整個蛋白質都沒有固定的結構,這些古老的複合分子機具包括了在蛋白質製造過程中負責剪接RNA的剪接體,或將胺基酸串連成蛋白質的核糖體。


生命起源的研究也透露出無結構蛋白質的悠久歷史。有一個重要的假說認為,最早的生物是以RNA為基礎,RNA既可催化反應,又可儲存遺傳資訊。在現代細胞中,這兩個角色分別由蛋白質和DNA擔任。然而RNA世界的最大問題是,RNA常卡在沒有活性的構形,難以有效轉變成具催化活性構形。現代細胞裡會有RNA「伴護蛋白」幫助RNA正確折疊,還有其他蛋白質穩定RNA的活性構形,伴護蛋白和穩定蛋白很可能是為了解決RNA折疊難題而演化出來的,它們在未與RNA結合前也都沒有穩定的結構。


分析遺傳密碼起源,提供了更多支持無結構蛋白質早期演化的證據。遺傳密碼是細胞將儲存在核酸(DNA或RNA)中的資訊轉譯為胺基酸序列的一套規則,研究人員相信有些胺基酸是在生命演化初期即已使用,有些胺基酸較晚才用到。驅動蛋白質折疊的大體積、疏水性胺基酸可能是較晚才用的胺基酸。如果沒有變化的話,那些由早期胺基酸構成的蛋白質很可能還維持未折疊狀態。如果這個遺傳密碼演化的觀點正確,最早出現在地球上的蛋白質應該會折疊不佳或完全沒有折疊,後來加入的胺基酸顯然有助於蛋白質結構的形成,提供了酵素反應區鑰與鎖模型的基礎,並讓蛋白質能在百萬年的演化過程中,取代RNA,成為現代所有細胞的催化動力。


新的藥物研發標的


由於蛋白質在生物中的重要性,許多蛋白質與疾病有關並不奇怪;而接納蛋白質天生無秩序的新模型,肯定會對人類疾病的了解和治療產生深遠影響。


首先,有些蛋白質若缺乏結構的話,會造成危害:當細胞製造過量無結構的特定蛋白質時,這些蛋白質可能會凝集成斑塊。科學家懷疑,像阿茲海默症、帕金森氏症和杭丁頓氏症等神經退化疾病,罪魁禍首可能就是大腦內的斑塊。為了避免出問題,細胞似乎需要嚴密監控無結構蛋白質。2008年,英國劍橋醫學研究委員會分子生物實驗室的巴布(M. Madan Babu)在一個涵蓋酵母菌、小鼠和人類的大規模研究中發現,和折疊蛋白質比較起來,細胞會更嚴密地調節無結構蛋白質。


了解無結構蛋白質可能和某些疾病有關,也讓科學家對治療有了新的想法。幾乎所有生物運作都需透過蛋白質之間的交互作用,因此蛋白質長久以來就是新藥研發的目標,不過目前並沒有什麼成功的例子,成效不若以較小分子影響酵素交互作用的方法。當其他蛋白質與無結構蛋白質作用時,大多是提供它們固定用的支點,或許研究人員可找尋讓新藥插入支點的辦法。特別是可阻斷重要癌症抑制基因和它調節夥伴間交互作用的分子,動物試驗顯示這個方法能成功對抗癌症,而人類臨床試驗也正在進行。克瑞瓦奇和同事正研發類似攻擊方法的新藥,來治療視網膜胚細胞瘤,這是一種好發於兒童眼睛的癌症。初期動物測試結果很樂觀,而其他實驗室也正進行類似的計畫。


科學家對蛋白質運作機制的興趣,使得蛋白質功能鑰與鎖模型這種偏見不再穩固。他們認識到有些生物運作,最適合由結構固定的蛋白質來執行,有些則需要靈活多變的蛋白質。蛋白質結構功能新紀元的來臨,很可能會改變我們對生命的認識,或許還能挽救生命。


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